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多肽合成技術(shù)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2013-09-13  來源:實驗室資訊網(wǎng)
核心提示:多肽化學已經(jīng)走過了一百多年的光輝歷程,1902年,Emil Fischer首先開始關(guān)注多肽合成,由于當時在多肽合成方面的知識太少,進展也
 多肽化學已經(jīng)走過了一百多年的光輝歷程,1902年,Emil Fischer首先開始關(guān)注多肽合成,由于當時在多肽合成方面的知識太少,進展也相當緩慢當時合成采用了苯甲酰,乙酰保護,脫去相當困難,而且容易導(dǎo)致肽鏈斷裂。直到1932年,Max Bergmann等人開始使用芐氧羰基(Z)來保護α-氨基,該保護基可以在催化氫化或氫溴酸的條件下定量脫除,多肽合成才開始有了一定的發(fā)展。到了20世紀50年代,隨著越來越多的生物活性多肽的發(fā)現(xiàn),大大推動了有機化學家們對多肽合成方法以及保護基的研究,因此這一階段的研究成果也非常豐富,人們合成了大量的生物活性多肽,包括催產(chǎn)素(oxytocin),胰島素等,同時在多肽合成方法以及氨基酸保護基上面也取得了不少成績,這為后來的固相合成方法的出現(xiàn)也提供了實驗和理論基礎(chǔ)。也就是這個階段,F(xiàn)red Sanger發(fā)明了氨基酸序列測定方法,并為此獲得了1958年的Nobel化學獎。還是他后來發(fā)明了DNA序列檢測方法,并于1980年再次獲得了Nobel化學獎,成為到目前為止唯一獲得兩次Nobel化學獎的科學家。1963年,Merrifield提出了固相多肽合成方法(SPPS),這個在多肽化學上具有里程碑意義的合成方法,一出來,就由于其合成方便,迅速,現(xiàn)在已經(jīng)成為多肽合成的首選方法,隨后的發(fā)展也證明了該方法不僅僅是一種合成方法,而且也帶來了有機合成上的一次革命,并成為了一支獨立的學科,固相有機合成(SPOS)。當然,Merrifield也因此榮獲了1984年的Nobel化學獎。也正是Merrifield,他經(jīng)過了反復(fù)的篩選,最終屏棄了芐氧羰基(Z)在固相上的使用,首先將叔丁氧羰基(BOC)用于保護α-氨基并在固相多肽合成上使用,其可以在酸性條件下定量的脫除,反應(yīng)也非常迅速,在30min就可以反應(yīng)完全。由于叔丁氧羰基(BOC)方法中,氨基酸側(cè)鏈的保護基團大多基于芐基(Bzl),因此也稱為BOC-Bzl策略。同時,Merrifield在20世紀60年代末發(fā)明了第一臺全自動多肽合成儀,并首次合成生物蛋白酶,核糖核酸酶(124個氨基酸)。隨后的多肽化學研究主要集中在固相合成樹脂,多肽縮合試劑,氨基酸保護基的研究。1972,Lou Carpino 首先將9-芴甲氧羰基(FMOC)用于保護α-氨基,其在堿性條件下可以迅速脫除,10min就可以反應(yīng)完全,而且由于其反應(yīng)條件溫和,迅速得到廣泛使用,到了20世紀80年代取代了叔丁氧羰基(BOC),成為了固相多肽合成中的首選合成方法。該方法中氨基酸的側(cè)鏈大多基于叔丁基(But),因此,也稱為FMOC-But策略。同時,在多肽合成樹脂,縮合試劑以及氨基酸保護,包括合成環(huán)肽的氨基酸正交保護上也取得了豐碩的成果。 

進入21世紀,隨著蛋白質(zhì)組學的研究深入,對于多肽化學的要求不僅僅是合成方法,而更多的集中在多肽標記與修飾方法,以及蛋白結(jié)構(gòu)與功能模擬多肽的合成以及長肽或蛋白合成。

  • 多肽化學合成的基本介紹

多肽化學合成方法,包括液相和固相兩種方法。液相合成方法現(xiàn)在主要采用BOC和Z兩種保護方法,現(xiàn)在主要應(yīng)用在短肽合成,如阿斯巴甜,力肽,催產(chǎn)素等,其相對與固相合成,具有保護基選擇多,成本低廉,合成規(guī)模容易放大的許多優(yōu)點。與固相合成比較,液相合成主要缺點是,合成范圍小,一般都集中在10個氨基酸以內(nèi)的多肽合成,還有合成中需要對中間體進行提純,時間長,工作量大。固相合成方法現(xiàn)在主要采用FMOC和BOC兩種方法,它具有合成方便,迅速,容易實現(xiàn)自動化,而且可以比較容易的合成到30個氨基酸左右多肽。
1.1.氨基酸保護基 
20種常見氨基酸,根據(jù)側(cè)鏈可以分為幾類:脂肪族氨基酸(Ala,Gly,Val,Leu,Ile,),芳香族氨基酸(Phe,Tyr,Trp,His),酰胺或羧基側(cè)鏈氨基酸(Asp,Glu,Asn,Gln),堿性側(cè)鏈氨基酸(Lys,Arg),含硫氨基酸(Cys,Met),含醇氨基酸(Ser,Thr),亞氨型基酸(Pro)。多肽化學合成中氨基酸的保護非常關(guān)鍵,直接決定了合成能夠成功的關(guān)鍵。因為常見的20中氨基酸中有很多都是帶有活性側(cè)鏈的,需要進行保護,一般要求,這些保護基在合成過程中穩(wěn)定,無副反應(yīng),合成結(jié)束后可以完全定量的脫除。合成中需要進行保護的氨基酸包括:Cys,Asp,Glu,His,Lys,Asn,Gln,Arg,Ser,Thr,Trp,Tyr。需要進行保護的基團:羥基,羧基,巰基,氨基,酰胺基,胍基,吲哚,咪唑等。其中Trp也可以不保護,因為吲哚性質(zhì)比較穩(wěn)定。當然在特殊的情況下,有些氨基酸也可以不保護,象,Asn,Gln ,Thr,Tyr。 
表1 常見3種氨基脫除條件

  TFA HBr/TFA H2/Pd-C Piperidine/DMF
Boc y y n n
Z n y y n
Fmoc n y n y

 


圖1 常見3種氨基保護基結(jié)構(gòu)
氨基酸側(cè)鏈保護基團非常多,同一個側(cè)鏈有多種不同的保護基,可以在不同的條件下選擇性的脫除,這點在環(huán)肽以及多肽修飾上具有很重要的意義。而且側(cè)鏈保護基和選擇的合成方法有密切的關(guān)系,液相和固相不一樣,固相中BOC和FMOC策略也不一樣,從某種意義上看,多肽化學就是氨基酸保護基的靈活運用與搭配。關(guān)于側(cè)鏈保護基的使用,請參考王德心的《固相有機合成——原理及應(yīng)用指南》第四章,我們這里主要介紹Cys,Lys,Asp的幾種保護基及其脫除方法。Cys最常見的保護基有三種,Trt,Acm,Mob,這三個保護基可以完成多對二硫鍵多肽的合成。Lys最常見的保護基有:Boc,F(xiàn)moc,Trt,Dde,Allyl,這對于固相合成環(huán)肽提供了很多正交的保護策略。Asp最常見的保護基有:Otbu,OBzl,OMe,OAll,OFm,同樣也提供了多種正交的保護策略。
表2 巰基常見保護基

 


簡稱
結(jié)構(gòu) 脫除條件
Trt TFA,HCl/HOAc,I2/MeOH
Acm I2/MeOH,Hg2+
Mob HF,TFMSA,Hg2+

 

表3 氨基常見保護基

 


簡稱
結(jié)構(gòu) 脫除條件
Trt TFA,HOAc,HCOOH
Boc HCl/HOAc,TFA/DCM
Fmoc Pip/DMF,NaOH/MeOH
Dde H2NNH2/DMF
Allyl Pd(Ph3P)4,嗎啉/THF

 

表3 羧基常見保護基

 


簡稱
結(jié)構(gòu) 脫除條件
Otbu TFA,HOAc,HCOOH
OBzl H2/Pd,HF,TFMSA
OMe NaOH/MeOH
OAll Pd(Ph3P)4,嗎啉/THF
OFm Pip/DMF,DBU/DMF

 

1.2.多肽縮合試劑 
目前多肽合成中,主要采用羧基活化方法來完成接肽反應(yīng),最早使用的是將氨基酸活化為酰氯,疊氮,對稱酸酐以及混合酸酐的方法,但是由于這些條件下,存在氨基酸消旋,以及反應(yīng)試劑危險以及制備比較復(fù)雜,逐漸被后來的縮合試劑取代,按照其結(jié)構(gòu)可以分為兩種:縮合試劑主要有:碳二亞胺型,鎓鹽型(Uronium)。 
1.2.1.碳二亞胺型 
主要包括:DCC,DIC,EDC.HCl等。采用DCC進行反應(yīng),由于反應(yīng)中生成的DCU,在DMF中溶解度很小,產(chǎn)生白色沉淀,所以一般不用在固相合成中,但是由于其價格便宜,在液相合成中,可以通過過濾除去,應(yīng)用仍然相當廣泛。EDC.HCl因為其水溶解性的特點,在多肽與蛋白的連接中使用比較多,而且也相當成功。但是該類型的縮合試劑的一個最大的缺點,就是如果單獨使用,會有比較多的副反應(yīng),但是研究表明如果在活化過程中添加HOBt,HOAt等試劑,可以將其副反應(yīng)控制在很低的范圍。其反應(yīng)機理如下: 

圖2  DIC活化反應(yīng)機理 
1.2.2.鎓鹽型 
鎓鹽型縮合試劑反應(yīng)活性高,速度快,現(xiàn)在使用非常廣泛,主要包括:HBTU,TBTU,HATU,PyBOP等。該試劑使用過程中需要添加有機堿,如,二異丙基乙胺(DIEA),N-甲基嗎啉(NMM),該試劑加入后,才能活化氨基酸。其反應(yīng)機理如下: 

圖3  TBTU活化反應(yīng)機理 
1.3.多肽合成方法比較 
1.3.1.液相多肽合成(solution phase synthesis) 
液相多肽合成現(xiàn)在仍然廣泛的使用,在合成短肽和多肽片段上具有合成規(guī)模大,合成成本低的顯著優(yōu)點,而且由于是在均相中進行反應(yīng),可以選擇的反應(yīng)條件更加豐富,象一些催化氫化,堿性水解等條件,都可以使用,這在固相中,使用卻由于反應(yīng)效率低,以及副反應(yīng)等原因,無法應(yīng)用。液相多肽合成中主要采用BOC和Z兩種反應(yīng)策略。 
 


 


圖4液相合成Glu-Trp 
1.3.2.固相多肽合成 
 


 


圖5  FMOC固相合成Glu-Trp
固相多肽合成現(xiàn)在使用的主要有兩種策略:BOC和FMOC兩種。BOC方法合成過程中,需要反復(fù)使用TFA脫BOC,而且在最后從樹脂上切割下來需要使用HF,由于HF必須使用專門的儀器進行操作,而且切割過程中容易產(chǎn)生副反應(yīng),因此現(xiàn)在使用受到實驗條件限制,使用也逐漸減少。FMOC方法反應(yīng)條件溫和,在一般的實驗條件下就可以進行合成,因此,也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 
1.3.2.1.固相合成中常用樹脂 
固相合成中樹脂,一般都是聚苯乙烯-二乙烯苯材料,大小在75-150μm,交聯(lián)度在1-2%之間,現(xiàn)在使用的大多是1%,因為這種交聯(lián)度下,樹脂在DMF,DCM中具有很好的溶脹性能,立體上是一個空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),反應(yīng)物分子可以在樹脂內(nèi)部自由移動。樹脂中最關(guān)鍵的部分是連接手臂,它一端連接在樹脂上,一端作為反應(yīng)位點。目前廣泛使用的樹脂有:PAM,MBHA,Wang,2-Cl-Trt,Rink-Amide-MBHA等。其中PAM,MBHA是用在BOC策略中,因為其對酸非常穩(wěn)定,需要在HF,TFMSA等強酸條件下才能夠切割下來。 
 


 


圖6  固相合成常用樹脂
1.3.2.2.茚三酮檢測 
固相多肽合成中,主要是通過檢測樹脂上游離氨基來判斷連接效率,檢測方法稱為Kaiser方法,其檢測結(jié)果,如果有游離氨基的時候,顯示蘭色,或紅褐色(pro,ser,His)。 
Kaiser試劑包括: 
A,6% 茚三酮的乙醇溶液 
B,80% 苯酚的乙醇溶液 
C,2% 0.001M KCN的吡啶溶液 
配制中的吡啶需要經(jīng)過茚三酮處理后,重蒸后再使用。檢測過程,取少量樹脂,加入A,B,C各2-3滴,100℃下加熱1-2min,如果溶液有蘭色,或樹脂出現(xiàn)蘭色,紅褐色,表明還有游離氨基,否則說明連接完全。
還有其它檢測游離氨基的方法:三硝基苯磺酸法,苦味酸法,溴芬蘭法等。 

圖7 茚三酮檢測原理 
1.3.2.3.固相合成切割方法 
固相合成完成之后,必須選擇合適的切割試劑將多肽從樹脂上切割下來,然后經(jīng)過冰乙醚沉淀,離心收集沉淀,經(jīng)過HPLC分離純化,冷凍干燥得到最后產(chǎn)品。由于選擇的樹脂不同,氨基酸序列不同,在切割時候,選擇的切割方法也不完全相同,一般都是選擇酸性條件下切割的條件,對于PAM,MBHA樹脂,一般采用HF切割,切割過程中需要添加對甲苯酚,對巰基苯酚,苯甲醚等試劑。而對于Wang,Rink-Amide,Trt樹脂,一般采用TFA切割,切割過程中加入,乙二硫醇,苯甲硫醚,水,三異丙基硅烷,苯酚等。這些添加試劑主要作為碳正離子俘獲試劑使用,目的是俘獲切割反應(yīng)過程中生成的碳正離子,減少這些碳正離子對部分氨基酸側(cè)鏈的進攻導(dǎo)致的副反應(yīng),比較容易產(chǎn)生副反應(yīng)的氨基酸有:Trp,Tyr。切割試劑用量一般10-15ml/g樹脂。常用的切割配比:HF/p-cresol/p-thiocresol(90/5/5),TFA/TIS/EDT/H2O(94/1/2.5/2.5),反應(yīng)一般是在室溫條件下2h-4h。 
1.3.3.多肽合成中主要問題 
1.3.3.1.消旋及其反應(yīng)機理 
多肽合成過程中,部分氨基酸在活化的過程中會導(dǎo)致不同程度的消旋,特別容易消旋的氨基酸有:Cys,His,Phe,當然這些消旋化還和溶劑,溫度以及合成中的有機堿等因素有關(guān)。對于這些氨基酸,可以通過采用高效縮合試劑,減少反應(yīng)時間,可以減少消旋的比例,一般條件選擇適當,消旋化都可以控制在5%以內(nèi)。消旋反應(yīng)機理如下: 

圖8 消旋反應(yīng)機理 
1.3.3.2.二酮哌嗪(DKP)反應(yīng) 
DKP副反應(yīng)出現(xiàn)在FMOC-Wang樹脂合成過程中,主要出現(xiàn)在第一個氨基酸為Pro的時候,當?shù)诙䝼氨基酸脫FMOC的時候,α-氨基被游離出來之后,立即對Wang樹脂的芐酯鍵進行分子內(nèi)胺解,生成六元環(huán)二酮哌嗪衍生物,同時從Wang樹脂上釋放出來,導(dǎo)致反應(yīng)終止。該反應(yīng)非常迅速,文獻報道采用50%Pip/DMF,脫1min,4min的條件,但是我們實驗證明在多數(shù)情況下,即使是1min左右反應(yīng)就超過了20%。因此一般在末端第一個氨基酸為Pro的時候,建議采用2-Cl-Trt樹脂合成,由于該樹脂巨大的空間阻力,可以完全消除該副反應(yīng)。這個副反應(yīng)在BOC策略合成過程中,卻可以完全避免,因為BOC在使用TFA脫除后,使氨基以TFA鹽的形式存在,從而失去了親核性,不能進攻芐酯鍵。 

圖9  DKP反應(yīng)機理
1.3.3.3.困難序列多肽合成
固相多肽合成中也經(jīng)常遇到多肽合成失敗或合成效率很低的問題,這里面的主要原因是由于多肽序列引起的,因為有些多肽序列在樹脂上形成β-折疊,改變了樹脂的溶脹性能,還有可能將反應(yīng)的活性位點埋藏在樹脂里面,這樣使得反應(yīng)很難進行,目前報道使用的主要方法有:

  • 使用混合溶劑,DMSO/DMF,6N 胍啶/DMF溶液
  • 提高反應(yīng)溫度,或采用微波方法
  • 使用高離液鹽,LiCl,NaClO4等。
  • 使用溶脹性能更好的PEG-PS樹脂,同時減少樹脂擔載量(0.05-0.2mmol/g)

1.4.合成多肽分析鑒定方法 
多肽的分析鑒定方法有多肽一級結(jié)構(gòu),二級結(jié)構(gòu)鑒定,多肽一級結(jié)構(gòu)包括:質(zhì)譜分析,氨基酸組成分析,氨基酸序列分析。二級結(jié)構(gòu)包括:圓二色譜(CD),NMR,X-衍射等方法。 
1.4.1.純度分析 
多肽的純度分析,一般都采用HPLC進行分析,選擇RP-C18,粒徑5μm,孔徑300A,4.6×150mm,流動相:A,0.1% TFA/H2O;B,0.1% TFA/ACN,洗脫梯度,5%B--65%B,時間30min。也有些多肽,特別是短肽,由于親水性強,在C18上保留很弱,需要改變條件,這里主要有兩種方法:一個改變分析梯度,可以將起始梯度改為2%,等度或小梯度洗脫;另外一個方法是在流動相中加入強離子對試劑,如七氟丁酸,十八烷基磺酸鈉等。 
1.4.2.一級結(jié)構(gòu)分析 
1.4.2.1.質(zhì)譜分析 
質(zhì)譜分析的目的主要是確證分子量,當然采用MS/MS可以部分的了解多肽序列的信息,但是這個需要比較全的數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ),分析才能比較準確。由于多肽性質(zhì)不穩(wěn)定,需要采用軟電離技術(shù),目前多肽分析主要使用了電噴霧(ESI-MS),基質(zhì)輔助激光解吸(MALDI-MS)。其中ESI-MS通常會給出多電荷峰,電荷數(shù)目和多肽序列上氨基,胍基,咪唑基的數(shù)目有關(guān),因此,經(jīng)常給出了雙電荷,三電荷等離子峰。MALDI-MS可以分析蛋白大分子,而且通常情況下很少帶多電荷,因此數(shù)據(jù)直接對應(yīng)了分子離子峰,容易分析。此外,通常在分析長肽或蛋白過程中,需要添加NH4,Na,K等離子,提高靈敏度,所以一般在MS中出現(xiàn)一組峰,分別對應(yīng):(M+H)+,(M+NH4)+,(M+Na)+,(M+K)+。 
1.4.2.2.氨基酸組成分析 
氨基酸組成分析一般需要產(chǎn)品的純度較高,它可以給出多肽中氨基酸的種類,數(shù)目。分析過程首先通過酸水解破壞肽鍵,典型酸水解的條件是:真空條件下,110℃,用6M鹽酸水解16至72小時。酸水解雖然很有用,但酸水解條件下不能獲得完整的氨基酸分析,因為天冬酰胺和谷氨酰胺的側(cè)鏈含有酰胺鍵,用于切斷蛋白質(zhì)肽鍵的酸也可以將天冬酰胺轉(zhuǎn)換為天冬氨酸,谷氨酰胺轉(zhuǎn)換為谷氨酸。由于水解溫度比較高,色氨酸的吲哚環(huán)容易被空氣氧化,即使在密封的管中,色氨酸的吲哚環(huán)也幾乎都被破壞了。因此蛋白質(zhì)的色氨酸含量往往是通過它的紫外吸收光譜估計的,也可以通過堿水解分析色氨酸的含量。半胱氨酸在酸水解中也不能精確測定,要精確測量需要在蛋白質(zhì)水解之前進行氧化或羧甲基化,形成的衍生物在酸水解之后才能定量。 
1.4.2.3.氨基酸序列分析 
氨基酸序列分析的基本原理是Edman降解,主要涉及耦聯(lián)、水解、萃取和轉(zhuǎn)換等4個過程。首先使用苯異硫氰酸酯(PITC)在pH9.0的堿性條件下對蛋白質(zhì)或多肽進行處理,PITC與肽鏈的N-端的氨基酸殘基反應(yīng),形成苯氨基硫甲酰(PTC)衍生物,即PTC-肽。然后PTC-肽用三氟乙酸處理,N-端氨基酸殘基肽鍵被有選擇地切斷,釋放出該氨基酸殘基的噻唑啉酮苯胺衍生物。接下來將該衍生物用有機溶劑(例如氯丁烷)從反應(yīng)液中萃取出來,而去掉了一個N-端氨基酸殘基的肽仍留在溶液中。萃取出來的噻唑啉酮苯胺衍生物不穩(wěn)定,經(jīng)酸作用,再進一步環(huán)化,形成一個穩(wěn)定的苯乙內(nèi)酰硫脲(PTH)衍生物,即PTH-氨基酸。留在溶液中的減少了一個氨基酸殘基的肽再重復(fù)進行上述反應(yīng)過程,整個測序過程現(xiàn)在都是通過測序儀自動進行。
1.4.3.二級結(jié)構(gòu)分析 
1.4.3.1.圓二色譜(CD) 
圓二色譜是一種特殊的吸收譜,它通過測量蛋白質(zhì)等生物大分子的圓二色光譜,從而得到生物大分子的二級結(jié)構(gòu),簡單、快捷,廣泛應(yīng)用在蛋白質(zhì)折疊,蛋白質(zhì)構(gòu)象研究,酶動力學等領(lǐng)域。圓二色譜紫外區(qū)段(190-240nm),主要生色團是肽鏈,這一波長范圍的CD譜包含了生物大分子主鏈構(gòu)象的信息。α-螺旋構(gòu)象的CD譜在222nm、208nm處呈負峰,在190nm附近有一正峰。β-折疊構(gòu)象的CD譜,在217-218nm處有一負峰,在195-198nm處有一強的正峰。無規(guī)則卷曲構(gòu)象的CD譜在198nm附近有一負峰,在220nm附近有一小而寬的正峰。 
1.4.3.2.核磁共振(NMR)
隨著二維、三維以及四維NMR的應(yīng)用,分子生物學、計算機處理技術(shù)的發(fā)展,使NMR逐漸成為大分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)分析的主要方法之一。NMR可用于確定氨基酸序列、分布以及構(gòu)象。目前,NMR在分析分子中含少于30個氨基酸的小肽時是非常有用的,分析結(jié)果快速準確。
1.4.3.3.X-衍射 
X-衍射可獲得有關(guān)化合物晶型的直接信息,而且可以判斷相對與絕對構(gòu)型。

  • 多肽標記及修飾

目前多肽標記及修飾的內(nèi)容非常多,廣泛應(yīng)用在多肽藥物,多肽生物學,多肽抗體以及多肽試劑的研究中。目前應(yīng)用廣泛的有:非放射性核素標記(C13,H2),熒光標記(FAM,F(xiàn)ITC),生物素標記,磷酸化修飾等。 
2.1.非放射性核素標記 
目前在非放射性核素標記中,使用廣泛的仍然是C13,H2,因為其使用安全,放射性小,F(xiàn)在有比較完全的非放射性標記的氨基酸,可以按照正常的多肽合成方法將標記好的氨基酸直接連接到多肽上。 
2.2.熒光標記 
熒光標記由于沒有放射性,實驗操作簡單。因此,目前在生物學研究中熒光標記應(yīng)用非常廣泛,熒光標記方法與熒光試劑的結(jié)構(gòu)有關(guān)系,對于有游離羧基的采用的方法與接肽反應(yīng)相同,也采用HBTU/HOBt/DIEA方法連接。但是對于FITC標記,需要在連接FITC前,增加一個氨基己酸,避免在切割的過程中被TFA切割掉。 
2.3.生物素標記 
生物素-親合素系統(tǒng) (biotin-avidin system,BAS),是70年代后期應(yīng)用于免疫學,并得到迅速發(fā)展的一種新型生物反應(yīng)放大系統(tǒng)。由于它具有生物素與親合素之間高度親和力及多級放大效應(yīng),并與熒光素、酶、同位素等免疫標記技術(shù)有機地結(jié)合,使各種示蹤免疫分析的特異性和靈敏度進一步提高。主要有用于標記多肽氨基的生物素N-羥基丁二酰亞胺酯(BNHS)和生物素對硝基酚酯(pBNP),其中以BNHS最常用,當然,也可以直接使用生物素也可以標記,因為其結(jié)構(gòu)上有個游離的羧基,采用HBTU/HOBt/DIEA方法縮合,由于生物素的溶解度低,使用DMSO/DMF的混合溶劑增加溶解度。 
2.4.磷酸肽合成 
磷酸肽在生命過程中發(fā)揮重要作用,磷酸化的位置在多肽上的Ser,Thr,Tyr。目前磷酸肽合成一般都采用磷酸化氨基酸,目前使用的都是單芐基磷酸化氨基酸,Tyr也可以直接使用磷酸化氨基酸。磷酸化氨基酸的連接一般采用HBTU/HOBt/DIEA方法,但是目前采用該方法合成磷酸化也有缺點,特別是在合成多磷酸化多肽或長肽的時候,連接效率低,最后產(chǎn)品純度很低,對于這種磷酸化多肽,我們考慮采用后磷酸化方法,其合成過程就是在多肽合成結(jié)束后,選擇性脫去要標記的氨基酸的側(cè)鏈保護基,對于Tyr,Thr可以直接使用側(cè)鏈不保護的氨基酸進行反應(yīng),而Ser可以采用Fmoc-Ser(trt),在1% TFA/DCM條件下可以定量的脫除。后磷酸化,采用雙芐基亞磷酰胺,四氮唑生成亞磷酰胺四唑活性中間體,連接到羥基上,隨后在過氧酸下氧化生成磷;,完成反應(yīng)。

  • 蛋白結(jié)構(gòu)與功能模擬多肽

多肽在與蛋白受體結(jié)合發(fā)揮功能的時候,總是先折疊出某些特殊的結(jié)構(gòu),多肽類似物合成主要是為了模擬這些結(jié)構(gòu),保持或提高生物活性,同時也為了改變多肽的穩(wěn)定性,提高其抗酶解能力。 
3.1.α-螺旋多肽 
α-螺旋是蛋白結(jié)構(gòu)中最為普通的一種,但是一般多肽在溶液中大多是無規(guī)卷曲的,目前使用最多的方法是多肽保持α-螺旋結(jié)構(gòu)就是在多肽表面通過共價鍵將處在α-螺旋結(jié)構(gòu)的兩個氨基酸連接起來,選擇的位點(i,i+4或i,i+7),選擇的化學鍵包括:二硫鍵,硫醚鍵,酰胺鍵,烯烴鍵(RCM)等方法。 
3.1.1.二硫鍵 
二硫鍵廣泛存在與蛋白結(jié)構(gòu)中,對穩(wěn)定蛋白結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義,二硫鍵一般是通過序列中的2個Cys的巰基,經(jīng)氧化形成。形成二硫鍵的方法很多:空氣氧化法,DMSO氧化法,過氧化氫氧化法等。二硫鍵的合成過程,可以通過Ellman檢測以及HPLC檢測方法對其反應(yīng)進程進行監(jiān)測。 
3.1.2.硫醚鍵 
硫醚鍵的形成可以通過序列中的Lys,將溴乙酸連接到Lys的側(cè)鏈氨基上,利用其和巰基的特異性反應(yīng),反應(yīng)在緩沖溶液中進行,迅速高效。 
3.1.3.酰胺鍵 
多肽的內(nèi)酰胺環(huán)肽的合成一般是利用Lys,Asp(Glu)的選擇性保護,在固相上直接環(huán)化。BOC策略中可以采用BOC-Lys(Fmoc),BOC-Asp(OFm),F(xiàn)MOC策略中可以采用FMOC-Lys(Aloc),F(xiàn)MOC-Asp(Allyl)。對于首尾環(huán)肽,還可以先合成保護的多肽,然后在液相中環(huán)化生成目標多肽。 
3.1.4.烯烴鍵(RCM) 
RCM反應(yīng)是一個過渡金屬催化反應(yīng),其反應(yīng)中使用催化劑:(Cy3P)2Cl2Ru=CHPh,可以催化烯烴環(huán)化,過程中脫去一分子乙烯。 

圖10  固相RCM反應(yīng) 
該反應(yīng)也可以在固相樹脂上直接環(huán)化,反應(yīng)條件:15-25% (Cy3P)2Cl2Ru=CHPh DCM,60-80℃,24-48h。 
3.2.TASP(template-assembled synthetic peptide)多肽 
瑞士Basel大學的化學家首次提出TASP的概念,他們利用具有“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)的肽鏈作為模板,然后將具有α-螺旋結(jié)構(gòu)的多肽直接連接到模板上,模擬蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)。 
3.3.長肽或蛋白合成 
3.3.1.FMOC-tbu片段縮合方法
FMOC-tbu片段縮合方法在合成長肽以及蛋白上面運用非常廣泛,其合成過程首先是合成保護性肽片段,經(jīng)過純化后,將幾個片段在液相或固相上組裝起來。使用本方法主要注意幾個方面:片段的選擇,片段的合成與純化,片段縮合方法。片段選擇要考慮到片段連接反應(yīng)時間長,容易導(dǎo)致消旋,故片段的C末端最好選擇Gly,Pro。合成的片段一般需要經(jīng)過C4,C8等純化,對于溶解性很差的多肽,可以采用硅膠柱層析方法進行純化。由于片段的分子大,在樹脂內(nèi)移動速度慢,故反應(yīng)時間一般都很長,而且反應(yīng)過程中與片段濃度關(guān)系很大,溶解的時候,盡量提高片段的濃度。對多種條件的選擇,發(fā)現(xiàn)采用DMF為溶劑,DIC/HOBt的方法縮合效率最高,消旋也最小。

圖11 FMOC-tbu片段縮合示意圖
3.3.2.自然化學連接(Native Chemical Ligation)
自然化學連接方法的優(yōu)點是可以采用完全脫保護的多肽,因此不存在溶解性問題,其反應(yīng)也是在緩沖水溶液中進行,由于其利用的是巰基和硫酯的特異性反應(yīng),再經(jīng)過由S到N的轉(zhuǎn)變完成肽鍵的合成。 

圖13自然化學連接
總之,今后多肽化學的研究,不僅是將更多的有機化學合成新方法,新技術(shù)引入到多肽研究當中,而且對蛋白的結(jié)構(gòu)以及功能模擬,開展結(jié)構(gòu)活性研究(structure activity relationship)將是研究開發(fā)的熱點,因為這將為揭示蛋白的內(nèi)在的生物活性本質(zhì)提供大量實驗數(shù)據(jù)。

編輯:songjiajie2010

 
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